非高炉炼铁-直接还原90页PPT
非高炉炼铁 第一章 绪论
各种炼铁工艺特点
工艺 原料 反应温度 产品特点
高炉炼铁
直接还原
熔融还原
烧结矿、 球团、富 矿 富矿
铁矿石
高于熔化 温度 低于熔化 温度
高于熔化 温度
液态、C高、 脉石低 固态、C低、 脉石高
液态、C高、 脉石低
1.2 非高炉炼铁的分类
1.2.1 分类标准
产品：直接还原、熔融还原 还原剂状态：煤基、气基（直接还原） 主体能源：煤基、气基、电热 工艺模式：一段式、二段式、三段式等 设备类型：竖炉、反应罐、回转窑、流 化床等 炉料结构：净料、混料
2）直接还原铁的其它应用 氧气转炉：冷却剂 高炉：配料 炼铁炉：效果较好 铸造生铁：要求高的金属化率
1.7 非高炉炼铁的前景
1.7.1 我国资源情况 煤炭资源丰富 电力资源前景乐观 铁矿资源丰富，但品味低，难选，多金 属共生矿多 废钢资源短缺
1.7.2 我国非高炉炼铁的发展方向
20世纪20年代开始研究； 20世纪70年代试验研究： 铁浴炉，德国，英国，日本，瑞典等； COREX，奥地利，德国； 20世纪80年代工业化： 1987年，南非，COREXC1000等
1.4 非高炉炼铁法技术经济指标
生产指标：利用系数、单位容积出铁率、 作业强度 产品质量指标：产品还原度、产品金属化 率 能量利用指标：煤气利用率、能耗
教材及参考书
本课程教材： 方觉等著，非高炉炼铁工艺与理论（第一 版），冶金工业出版社，2002年1月 主要参考书： [1] 杨天钧等著 ，熔融还原（第一版）， 冶金工业出版社，1998年 [2] 秦民生主编，非高炉炼铁，冶金工业 出版社 ，1988年
非高炉炼铁
非高炉炼铁一、非高炉炼铁的发展高炉炼铁是炼铁生产的主题，经过长期的发展，它的技术已经非常成熟。
但它也存在固有的不足，即对冶金焦的强烈依赖。
但随着焦煤资源的日渐贫乏，冶金焦价格越来越高。
因此，使炼铁生产摆脱对冶金焦的依赖是开发非高炉炼铁的原动力。
经过数百年的发展，至今已形成了以直接还原和熔融还原为主的现代化非高炉炼铁工业体系。
现代化钢铁工艺流程主体由四部分构成，焦炉、造块设备（例如烧结机）、高炉和转炉。
高炉使用冶金焦为主题能源，他是由焦煤经炼焦得到。
高炉的产品是液态生铁，它经转炉冶炼成转炉钢。
熔融还原的产品相当于高炉铁水。
高炉使用冶金焦，熔融反应则使用非焦煤。
这样就使炼铁摆脱了对冶金焦的依赖。
直接还原的产品是在熔点以下还原得到固态金属铁，称为直接还原铁（DRI），又称海绵铁。
直接还原的流程可分为煤基直接还原、气基直接还原和电热直接还原三大类。
煤基直接还原以煤为主要能源，主要是使用回转炉为主体设备的流程。
气基直接还原以天然气为主题能源。
包括竖炉、反应罐和流化床流程。
电热直接还原以电力为主要能源，是使用电热竖炉直接还原流程。
熔融还原的主体能源主要分为三种：非焦煤，焦炭和电力。
熔炼设备是熔融还原流程的精华。
还原设备决定了适用原料的性质。
例如流化床可直接处理粉料，竖炉则适用于处理块状炉料。
二、重点设备分析直接还原的核心装置是一个还原单元。
占有重要地位的还原设备有竖炉，反应罐，回转炉和流化床。
熔融还原的核心装置时一个还。
原单元和一个熔炼造气单元。
最受重视的还原设备是竖炉和流化床，最重要的熔炼造气设备是煤炭流化床和铁浴炉。
竖炉是一种成熟的还原设备。
除了产量在海绵铁工业中高居榜首外，熔融还原也将它作为还原单元最实际的选择。
目前唯一的工业化二步法熔融还原流程COREX即使用竖炉还原单元。
作为还原设备，流化床的地位非常微妙。
海绵铁工业中流化床的生产能力并不大。
但他具有一个竖炉无法比拟的优点：可直接使用粉矿。
这个特点使流化床成为熔融还原中最受青睐的还原设备。
6-非高炉炼铁
6非高炉炼铁6.l概述非高炉炼铁法是高炉炼铁法之外，不用焦炭炼铁的各种工艺方法的总称。
按工艺特征，产品类型和用途，主要分为直接还原法和熔融还原法两大类。
6.1.1直接还原法与熔融还原法直接还原(DirectReduction)法是指不用高炉而将铁矿石炼制成海绵铁的生产过程。
直接还原铁是一种低温下固态还原的金属铁。
它未经熔化而仍保持矿石外形，但由于还原失氧形成大量气孔，在显微镜下观察形似海绵，因此也称海绵铁。
直接还原铁的含碳量低(〈2%)，不含硅锰等元素，还保存了矿石中的脉石。
因此不能大规模用于转炉炼钢，只适于代替废钢作为电炉炼钢的原料。
熔融还原(SmeltingReduction)法指在熔融状态下把铁矿石还原成融态铁水的非高炉炼铁法。
它以非焦煤为能源，得到的产品是一种与高炉铁水相似的高碳生铁。
适合于作氧气转炉炼钢的原料。
近年来，非高炉炼铁法发展比较快，其原因是：(1)不用焦炭炼铁。
高炉冶炼需要高质量冶金焦，而从世界矿物燃料的总储量来看，煤炭占92%左右，而焦煤只占煤炭总储量的5%，且日渐短缺，价格越来越高。
非高炉炼铁可以使用非炼焦煤和天然气作燃料与还原剂，对缺少焦煤资源的国家和地区提供了发展钢铁工业的巨大空间。
(2)高炉炼铁要求强度好的焦炭和块状铁料。
必须有炼焦和铁矿粉造块等工艺配套，工艺环节多，经济规模大，需要大的原料基地和巨额投资。
非高炉炼铁法使用非焦煤或天然气，可使用矿块或直接使用粉矿，市场适应性强。
(3)科学技术的进步，对钢材质量和品种提出了更高的要求。
现代电炉炼钢技术为优质钢的生产提供了有效手段，但由于废钢的循环使用，杂质逐渐富集，而一些杂质元素在炼钢过程又很难去除，无法保证钢的质量，并限制了电炉法冶炼优质钢种的优势。
非高炉炼铁法能为炼钢提供成分稳定、质量纯净的优质原料，为炼钢设备潜能的发挥，提高企业的经济效益，提供了有力的支持。
(4)随着钢铁工业的发展，氧气转炉和电炉炼钢逐渐取代平炉，废钢消耗量迅速增加，废钢供用量日感紧张，非高炉生产的海绵铁、粒铁等是废钢的极好替代品。
非高炉炼铁法
发展新工艺：转底炉炼铁。
三 转底炉工艺
转底炉由于反应速度快、原料适应性强等特点 近年来得到了快速发展 。转底炉工艺有许多种 ， 包括 Fastmet、ITmk3、Inmeto、Comet、 DRyIron等。
1 Fastmet法和Fastmelt法
该法是由美国 Midrex直接还原公司与日本神户制钢于 60年代开发的 。目的是为了处理钢厂内部的含铁粉尘和铁 屑等。经过多年的半工业试验和深入的可行性研究 ，现已 完成工艺操作参数和装置设计的最佳化。 首家商业化 Fastmet厂于 2000年在新日铁公司广佃厂投 产，可处理含铁粉尘和铁屑20万t／a。 另外，日本还有两家Fastmet工厂，分别为20万t/a和 1.6 万t/a。 日本神户钢铁公司和三井金属工业公司合资用 Fastmet工艺在美国建造一座年产90万t海绵铁 的工厂。在 美国埃尔伍德建立了 2.5万t/a的金属回收厂，回收镍粉尘， 效果良好。 图6为其工艺流程图。
② HYL法和HYL-III法
HYL法采用 KELLOG蒸汽转化制气技术，其 工艺流程如图2所示。 原料天然气首先用活性炭脱硫，然后与过量水 蒸汽混合，在 85％下进行催化裂化反应。
反应罐组由4个反应罐组成。罐顶设有装料口， 罐底设有卸料口。反应罐之间有一套复杂的还原 气管路相连接。
图2 HYL法工艺流程
钢铁生产的传统流程：由高炉炼铁－转炉炼钢或废钢 －电炉炼钢。 新流程：熔融还原炼铁－转炉炼钢或直接还原－电炉炼 钢。 目前，在我国发展直接还原存在重大障碍。 新流程存在的问题： 直接还原受到很多因素的限制，例如最成熟的直接还 原法（竖炉及反应罐）都使用天然气作一次能源，自然界 中天然气普遍短缺，而用煤碳作能源生产的海绵铁成本较 高，产量低，生产效率也较低，还有很多技术问题等待解 决。 应用直接还原－电炉流程生产一吨成品钢总计消耗电 600～1000kW· h。 此外，直接还原需要高品位的精矿。
非高炉炼铁-直接还原
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直接还原技术概况
直接还原炼铁工艺分为气基和煤基直接还原两大类，其 产品是固态海绵铁，主要供电炉炼钢用。
气基直接还原是用天然气经裂化产出的H2和CO作为还 原剂在竖炉、固定床罐式炉或流化床内将铁矿石中的氧化 铁还原成海绵铁。主要有Midrex法和HYL法。
煤基直接还原是用煤作还原剂在回转窑或转底炉内将矿 石中的氧化铁还原。
生产块矿矿山 Aguas Claras
Alegria Bailadila Bellary Hospet Brumadinho
Caue Cerro Bolivar
Conceica Corumba CVRD
El Pao Esperanza
Ferteco Feijao
表10 Midrex工厂曾使用的商品块矿石
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MIDREX工艺过程
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MIDREX流程图
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18
2 Midrex直接还原工艺的原燃料
2.1 Midrex用燃料与还原剂
Midrex属于气基直接还原流程，还原气使用天然气经催化 裂化制取，裂化剂采用炉顶煤气。炉顶煤气含CO与H2约70%。 经洗涤后，约60%～70%加压送入混合室与当量天然气混合 均匀。混合气首先进入一个换热器进行预热。换热器热源是 转化炉尾气。预热后的混合气送入转化炉中的镍质催化反应 管组，进行催化裂化反应，转化成还原气。还原气含 (CO+H2)95%左右，温度为850～900℃。
>2500
小于500N/个/wt%
<5.0
<2.0
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对于Midrex工艺直接还原来说，含铁原料的高温特性，如还原 速率、还原粉化性能、粘结趋势和高温还原强度等，对整个竖炉 生产的顺行以及技术经济指标都非常关键。表8列出了Midrex工 艺对球团矿和块矿高温冶金性能的要求。
非高炉炼铁
MgO-CaO质耐火材料工程实例
• 含活性氧化钙耐火材料是生产洁净钢的理 想材料 工程或工业化生产如何实现？ 工业化最大的问题是解决活性氧化钙的水 化问题
MgO-CaO质耐火材料工程实例
• B.耐火氧化物与钢中硫含量关系: 钢液冷凝时硫会浓聚于晶粒边界，加热钢 锭时，会在晶粒边界熔化，造成钢的热脆。 钢液中硫含量越低，说明钢中硫化物洁净 度（Sulphide cleanliness)越高。 [S]+(O)=(S2-)+［O] 或[S]+(CaO)=(CaS)+［O] 式中，[]表示金属熔体相；( )表示熔渣相
2.4国内外熔融还原用耐火材料的研究现状 和发展方向
• 国内外研究者对熔融还原用耐火材料的研究主要在Al2O3-C、 MgO-C和MgO-Cr2O3砖方面，就蚀损速度而言MgO-Cr2O3砖约 为的Al2O3-C砖的 1/2，C含量为10%的MgO-C砖比Al2O3-C砖小 1/5。其结果总结为：（1）COREX融熔还原气化炉中的流化 燃烧区和风口区作业条件最为苛刻，所用含炭耐火材料效果 不理想。推存选材为Sialon结合碳化硅砖和Sialon结合刚玉砖。 （2）铁浴终还原炉技术尚未完全成熟，所用炉衬为改进型 Al2O3-C砖和MgO-C砖。渣型的不同对耐火材料的使用效果影 响较大。（3）含炭耐火材料有好的抗渣性及热震稳定性， 但存在易氧化的问题。抗渣性及抗冲刷性好的镁铬砖其热震 稳定性不好，易剥落。
MgO-CaO质耐火材料工程实例
• 则是溶解在钢液中的脱氧剂M与溶于钢液中的氧 化反应生成脱氧产物MxOy。如果MxOy不上浮， 也会成为钢中夹杂物。 Al、Si、Cr、Zr在铁液中溶解度都很大；而Mg与 Ca由于在高温下以气态存在，在Fe液中溶解度很 小。耐火氧化物中的金属元素在钢液中的含量与 钢液中平衡氧的活度之间关系如图所示。
直接还原炼铁
炉内压力： 250KPa左右 天然气能耗：
10.2~11t/GJ 炉料在整个炉内停 留时间：10h左右
还原区温度： 850℃左右
金属化率：＞92%
H 2 C O 1
C4 H 1/22 O催 化 剂 CO 2H 2
C4 H C2 O 催 化 剂 2CO 2H A2
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2.2 HYL-III（Energiron）法工艺
A
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2.2 HYL-III（Energiron）法工艺
C4 H H 2 O 催 化 3剂 2H CO
炉内压力：600KPa 天然气能耗：
10~11.3t/GJ 炉料在整个炉内停留
时间：大于10h 还原区温度：
900~960℃ 金属化率：＞91%
H 2 C＞ O 2
A
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2.3 HYL-ZR法工艺
直接还原炼铁
A
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一 直接还原炼铁简介
1 、定义 直接还原炼铁(Direct Reduction Iron)是一种采用
天然气、煤气、非焦煤粉作燃料和还原剂, 使用球团矿、 块矿、粉矿在在软化温度以下直接还原生产固体直接还原 铁( DRI /HBI) 的炼铁工艺技术。
2 、优点 ① 使用非焦煤，取消了炼焦和烧结等高能耗高污染工序 ② DRI/HBI 中P、S和和有色杂质（Cu、Ni、Cr、Mo、Sn等）
➢ HYL-ZR是在原HYL工艺系列上发展起来的一种新型气基自 重整直接还原工艺,HYL-ZR技术可在其工艺和设备无任何改 动情况下使用焦炉煤气、Corex熔融还原炉产生的煤气或者 合成气 ,而其他技术大都需要对其基本配置进行重大改动 。目前开始在我国和印度等地区应用。
➢在竖炉内通过对还原气进行控制而产生合乎要求的还原气 体 ,其还原气体经过不完全燃烧 ,以及在还原反应器内经 过金属铁的催化作用在现场重整而生成 ,从而对铁矿石进 行还原;而传统HYL-Ⅲ 工艺是在添加蒸汽条件下使天然气 在催化重整装置中裂解。
气基直接还原炼铁工艺的汇报材料之一PPT学习教案
2014年9月
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7、气基直接还原是替代传统工艺流程的核心工艺之一
钢铁工业 发展的两 大趋势
完善 传统工艺装备
相互竞争 ,相互渗 透,推动 钢铁工业 技术进步
寻求替代传统工艺流程的新工艺流程
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8、气基直接工艺是能耗最低的炼铁工艺
—————————————————————————— 炼
工 业
79%
类
其它行业
化工、石油化工
5%
水泥
4% 钢铁
3%
21%
1%
有色金属
1%
机械
1%
食品和烟草
1%
纸浆、造纸、印刷
5%
其它
第7页/共59页
21%
化工、石油化工
23%
水泥
18%
钢铁
15%
有色金属
7%
机械
5%
食品和烟草
5%
纸浆、造纸、印
刷
5%
其它
24%
2.传统的炼铁系统的能耗与CO2分别占到钢铁工业的67%、70%左右
900℃
20℃
原料
氢冶金生 产流程 中产品 碳含量 、氧势 和温度 变化来自氢气 制铁高 纯
炼 钢
钢水 净化
低过热度浇铸
强化轧制
连续退火
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6、氢冶金—生产超纯净钢的理想流程
由于氢冶金避免了碳在还原过程中对铁水的污染，改变了传统流程中重 复进行氧化还原反应造成的钢水污染问题，减少了重复加热，降低了系 统能耗。 特点：用氢气作为还原剂，流程缩短，产品洁净度高，节能降耗，生产 成本低。
气基直接还原炼铁工艺的汇报材料之一